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IoT에서 무선 전원 설계, 활용 방법
이나리 기자 | 승인 2017.06.13 09:52

[EPNC=이나리 기자] 사물인터넷(IoT)은 사람과 컴퓨터를 비롯해 모든 종류의 ‘사물’을 인터넷으로 연결하고, 디바이스 간에도 연결시킨다. 예로, 산업 제조설비나 대규모 인프라 프로젝트에서는 더 많은 장소에 더 많은 센서(엑추에이터)를 연결함으로써 효율과 안전성을 높이고, 새로운 비즈니스 모델을 개발할 수 있다. 이와 같이 데이터 교환이 늘어나는 것을 ‘인더스트리 4.0’이라고 한다.

전통적인 공장 환경에서는 다양한 타입의 센서들을 선을 사용해서 전원으로 연결했다. 하지만 설비 내 모든 곳에 케이블을 설치하는 것은 작업이 까다롭고 비용도 많이 든다. 그러나 이제는 산업용 무선 센서를 설치하고 소형 배터리를 사용할 수 있게 됐다. 심지어 빛, 진동, 온도 등의 원천으로 에너지를 생성해 작동하는 것이 가능해졌다. 더불어 재충전이 가능한 배터리와 다중의 주변 에너지 소스를 조합해서 장기간 사용할 수도 있다.

진동 에너지 하베스팅이나 실내 또는 착용 가능 광전지셀 같은 첨단 규격형 에너지 하베스팅(EH) 기술은 통상적인 동작 조건으로 수 밀리와트 대의 전력을 생산할 수 있다. 이런 전력 수준은 제한적이라고 생각될 수 있으나, 무선센서 노드 같은 하베스팅 장치를 다년간 작동한다면 에너지 제공 면에서나 단위 에너지당 비용 면에서 장기 수명의 일차전지와 거의 맞먹을 수 있다.

일차전지는 최대 10년까지 수명이 가능한 것으로 알려졌으나, 소모되는 전력 수준과 그 빈도에 따라서 크게 달라질 수 있다. EH 기술을 사용한 시스템은 극심하게 고갈된 후에도 재충전을 할 수 있다. 반면, 이것은 일차전지를 사용하는 시스템에서는 할 수 없다.

그러나 대부분의 구현은 주변 에너지 소스를 일차적인 전원 소스로 사용하면서 동시에 일차전지로 보완하고자 할 것이다. 즉, 주변 에너지 소스를 사용할 수 없게 됐을 때, 일차전지로 전환할 수 있다는 것을 뜻한다. 이는 ‘배터리 수명 확장기’로 볼 수 있기 때문에 리튬 염화 티오닐 소재의 배터리가 통상적으로 약 12년간 작동하는 것에 근접할 만큼 긴 작동수명을 구현한다. 또 일부 재충전 가능한 배터리는 근원적인 안전성 문제 때문에 선을 사용해서 충전할 수 없고, 무선전원 전송 기법을 사용해서 충전해야 한다.

많은 애플리케이션에서는 충전 용도로 커넥터 사용이 어렵거나 불가능할 수 있다. 예를 들어, 어떤 제품은 민감한 전자 장치들을 혹독한 환경으로부터 보호하기 위해서 밀봉 인클로저를 필요로 한다. 또 어떤 제품은 단지 크기가 너무 작아서 커넥터를 포함시킬 수 없거나, 배터리로 작동되는 애플리케이션은 무브먼트 장치나 회전 장치를 포함하기 때문에 선을 사용한 충전이 불가능할 수 있다.

이런 경우에 커넥터를 제거하고 무선으로 충전할 수 있는 솔루션이 필요할 것이다. 무선충전 솔루션은 커넥터를 사용할 수 없는 애플리케이션에서 유용성, 신뢰성, 견고성을 높일 수 있다.

◇ 무선 전원 전송(Wireless power transmission)

무선 전원은 저항성 커넥터를 사용할 수 없는 경우에 유용한 솔루션을 제공한다. 그렇다면 무선 전원은 무엇을 말하는가? 간단히 말해 무선 전원 전송은 전원소스의 전기 부하로 전기 절연체를 통해 전기 에너지를 전송하는 것이다. 이 방식으로 전원을 전송하기 위해서는 몇 가지 과제들이 따른다. 예를 들어, 전기 전류가 도체를 통해서 흐를 때는 자기장이 발생된다. 즉, 도체를 통해 교류 전류가 흐를 때 도체 주변으로 시간적으로 변화하는 자기장이 생성되고, 이 자기장 내에 또 다른 도체를 놓으면 이차 도체로 교류 전류가 유도되는 것이다.

이 자기장 세기는 도체를 통해서 흐르는 전류의 크기에 비례한다. 앞에 언급됐던 자기 결합을 통해 자기장을 발생시키는 일차 도체는 자기장이 가서 부딪히는 이차 도체로 에너지가 전송된다. 결합 계수가 낮고 느슨하게 결합된 시스템에서는 도체를 따라 긴 거리에 걸쳐서 고주파수 전류가 통과하지 못한다. 또 케이블로 인한 임피던스 불일치 때문에 빠르게 에너지를 잃게 되면서 에너지가 소스로 반사되거나 공기 중으로 방사된다. [그림 1]은 권선들이 자기장을 통해서 느슨하게 결합된 것을 그래픽으로 보여준다.

[그림 1] 일차 송신 코일(Tx)에서 LTC4120을 포함하는 이차 수신 코일(Rx)로 무선 전원 전송

LTC4120은 무선 동기 벅 차저 IC다. LTC4120은 치(Qi) 규격이 아니지만 대신 고신뢰성 애플리케이션의 요구를 충족하도록 설계됐다. LTC4120은 기초적인 기술과 무선전원 아키텍처를 구현함으로써 부정정렬에 대해 더 높은 허용오차로, 더 긴 전원 전송 거리로 동작할 수 있다. 이를 효율적으로 달성함으로써 리시버가 열 문제를 겪지 않게된다. 또 대부분 산업용 WSN, IoT, 의료용 애플리케이션은 컨슈머급 제품과 상호운용이 가능하지 않은 것을 선호할 것이다.

또 LTC4120은 동적 조화 제어(Dynamic Harmonization Control, DHC) 튜닝 기술을 적용함으로써 다른 무선전원 솔루션에 비해 커다란 이점을 제공한다. 환경이나 부하 변화에 따라서 DHC가 리시버의 공진 주파수를 동적으로 변화시키는데, DHC는 더 우수한 전원 전송 효율을 달성하므로 더 작은 리시버 크기를 사용할 수 있고, 더 긴 전송 거리로 동작하면서도 미미한 전자기 간섭을 발생시킨다.

또 DHC는 다른 무선전원 전송 기법들과 달리 유도전력 자기장을 통해 근원적인 전력 레벨 관리가 가능하므로 리시버를 승인하거나 배터리 충전 사이클 시에 부하 요구량 변화 관리를 위한 별도의 통신 채널을 필요로 하지 않는다.

◇ 무선전원으로 배터리 충전

LTC4120을 사용한 무선충전은 다양한 애플리케이션을 가능하게 하거나 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 혹독한 산업용 환경에서 쉽게 결함을 일으킬 수 있는 비싼 커넥터를 없앨 수 있다. 일례로 화학 처리 설비와 정유 공장 뿐 아니라 무선 충전을 사용함으로써 회전 로봇이나 의료용 영상 시스템 같이 소독을 필요로 하는 애플리케이션에 완벽하게 밀봉된 인클로저를 구축할 수 있다. 또 선을 제거함으로써 움직이거나 회전하는 장비에 재충전 가능한 배터리를 사용할 수 있고, 크기가 너무 작아서 통상적인 커넥터를 사용할 수 없는 애플리케이션에서 무선 충전을 사용할 수 있다.

그렇다면 전력은 어떻게 LTC4120으로 전달되고 배터리를 충전할 수 있을까? 먼저 무선 트랜스미터 회로와 코일이 필요한데, 리니어는 이런 용도로 LTC4125를 제공하고 있다. LTC4125는 무선전원 트랜스미터로서, 무선충전 솔루션에서 무선리시버 IC와 짝을 이룬다. LTC4125는 간소하면서 성능이 우수한 모노리딕 풀-브리지 공진 드라이버로서, 적합하게 튜닝된 리시버에 최대 5W의 전력을 무선으로 전송할 수 있다. 송신 회로, 송신 코일, 수신 코일, 수신 회로로 이뤄진 토탈 무선전원 전송 시스템은 송신 회로 소자로써 동작한다.

LTC4125 전원 컨트롤러는 기본형 무선전원 트랜스미터 보다 3가지 기능면에서 향상됐다. 자동 공진(Auto Resonant) 기능은 가용 리시버 전력을 극대화하고, 최적 전력 검색(Optimum Power Search) 알고리즘은 전반적인 무선전원 시스템 효율을 향상시킨다. 또 이물질 검출 기능은 전도성 이물질이 존재하는 곳에서 안전하고 높은 신뢰도로 동작한다. LTC4125는 LC 네트워크의 공진 주파수에 따라 구동 주파수를 스스로 자동 조절한다. 이 자동 공진 스위칭은 저전압 입력전원(3V~5.5V)으로부터 LTC4120 무선리시버와 배터리 차저 등이 적합하게 튜닝된 리시버로 최대의 전력을 제공한다.

LTC4071 션트 배터리 차저나 LT3652HV 다중 소재 배터리 차저 제품을 사용해서도 무선전원 리시버를 설계할 수 있다. LTC4125는 주기 송신 전력 검색을 사용해서 리시버 부하 요구량에 따라 송신 전력을 조절하기도 한다. 만약 결함 조건이 발생되거나 이물질이 검출될 경우에는 디바이스가 전력 공급을 중단시킨다. [그림 2]는 전체적인 무선전원 전송과 배터리 충전 솔루션에서 LTC4120과 LTC4125가 사용되는 사례를 보여준다.

[그림 2] 무선 배터리 충전용의 LTC4125 및 LTC4120 데모 회로

또 LTC4125는 프로그래머블 최대 전류 한계 기능과 이물질, 과부하 보호를 위한 추가 수단으로써 NTC 입력을 포함한다. LTC4125는 휴대용 계측기, 산업용‧군용 센서, 휴대 의료용 기기, 전기 절연 장치 같은 애플리케이션에 사용하기에 적합하다. LTC4125 기반 시스템은 최대 15㎜의 높은 전송 거리로 동작할 수 있으며 부정정렬로 인한 느슨한 코일 결합을 허용할 수 있다.

◇ 맺음말

최근 의료용 제품이나 환경 조건을 모니터링하고 안전성을 높이기 위해서 산업용 센서와 같은 새로운 차원의 제품들이 속속 등장하면서 IoT 시장은 지난 몇 년 사이에 폭발적으로 성장하고 있다. IoT 시장은 의료용, 군용, 산업용을 비롯해 다양한 유형의 제품을 포함하고 있다.
또 빌딩 에너지 효율을 향상시키거나 기계 장비의 시스템과 건전성 모니터링을 위한 애플리케이션의 경우에는 WSN에 EH 기술이 도입됨으로써 저전력 변환 솔루션에 대한 요구가 높아지고 있다. 그러나 혹독한 환경에서 저전류 장비를 무선전원 전송을 통해 구동하는 것은 아직까지 쉽지 않은 일이다.

작성: 토니 암스트롱(Tony Armstrong) | 리니어 파워 제품 마케팅 담당 이사
자료제공: 리니어 테크놀로지(www.linear.com)

#IoT#무선충전#

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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